浅析基于模型的系统工程（MBSE）在系统研制过程中的应用

浅析基于模型的系统工程（MBSE）在系统研制过程中的应用

杨启超

（陕西宝成航空仪表有限责任公司，陕西宝鸡721006）

摘要：传统系统工程中基于文档的研发模式存在需求不明确、不清晰、互相矛盾等隐患，甚至进入系统设计阶段、实现和验证阶段才能发现需求不合理，此时需求更改导致产品研制需要投入大量的人力、物力和周期。基于模型的系统工程（MBSE）属于“需求驱动型”研发模式，在需求分析阶段进行系统需求的捕获、分析和验证，在早期暴露并全部解决需求存在的隐患和问题，并基于验证后的需求开展后续研制，大大减少了研制过程中的反复和浪费。

关键词：正向设计；需求驱动型；MBSE

传统系统工程是基于文本的系统工程，工程活动的产出是一系列基于自然语言的文档，如用户需求、设计报告、产品图样等。在这种模式下，要把散落在各文档中工程系统的信息集成关联在一起，费时费力且容易出错。随着工程系统越来越复杂，传统系统工程方法越来越难以应对，系统研制成本越来越高。近年来，基于模型化为代表的信息技术快速发展，在需求牵引和技术推动下，基于模型的系统工程(Model-BasedSystemsEngineering，以下简称MBSE)方法论应运而生。

MBSE包括技术过程和管理过程两个层面，技术过程遵循分解—集成的系统论思路和渐进有序的开发步骤，即“V&V”模式。管理过程包括技术管理过程和项目管理过程。在技术过程层面主要是系统模型的构建、分析、优化、验证工作，在管理过程层面，包括对系统建模工作的计划、组织、领导、控制。因此，系统工程实质上包括系统建模技术和建模工作的组织管理技术两个层面，其中系统建模技术包括建模语言、建模思路和建模工具。MBSE在建模语言、建模思路、建模工具上有重大转变，相对传统系统工程有诸多不可替代的优势，是系统工程的颠覆性技术。

1.构建需求驱动的研制流程

通过对标国际系统工程最佳实践，引入空客公司基于需求的工程流程（RBE），采用国际先进的流程建模工具IBMRationalMethodComposer（RMC），从两个维度对工程系统的研制过程进行解析，横向按照产品研制过程分为方案论证阶段、初样研制阶段、试样研制阶段和设计定型阶段，纵向按照系统层级结构分为用户层、系统层、部件层、软件/硬件层。通过映射和分析研制过程每项活动与RBE流程规定活动的能力差距，定义每个活动的输入、输出、执行该活动的角色和赋予的权限、使用的工具和方法、引用的标准和指南、参考的模板和案例等要素集，构建系统研制RBE流程模型。

通过RMC构建的需求驱动的产品研制流程，避免了传统文档形式的研制体系中文档多、逻辑松散、不同文档之间存在冲突隐患等问题，避免“信息孤岛”和“孤井作业”，有效提高产品研制效率，促进团队沟通和协作。

2.开发典型产品需求数据库

依据需求驱动的研制流程建立包括用户层、系统层、部件层和软件/硬件层的需求信息架构。按照需求数据库信息架构，对系统的不同层级分别制定需求类、设计类、验证类、确认类等模板，按照重要性对不同对象类型规定必要和可选的属性。通过建立需求数据库，实现了需求、设计、验证的条目化，将研制流程中数据之间的追踪关系从文档级细化到对象级，保证了对象的颗粒度和数据源的唯一性；通过建立不同模块对象之间的链接关系，提高了需求变更的准确性和追溯性。

通过开发典型产品需求数据库，能够在企业后续同类型产品的研制过程中，提高需求的复用性，缩短开发周期，避免过度变更，最终提升产品交付能力。同时，经过不断的补充完善，可以形成企业知识资产库。

3.软件图形化设计和代码自动化实现

需求的分析和捕获离不开系统建模，基于IBMRationalRhapsody建模工具，在产品的系统层分别开展基于Harmony-SE的需求分析、功能分析、设计综合和模型验证，确认需求的正确性和完整性。将确认后的产品功能需求集合以模型的形式传递给软件层。结合安全性、测试性等非功能需求，在IBMRationalRhapsody中完成软件的概要设计，形成软件架构，并用RhapsodyTestConductor（TC）/AutomaticTestGeneration（ATG）开展静态分析和动态测试，完成软件图形化设计的第一轮迭代。随后将软件架构导入SCADE工具中，开展软件的详细设计，形成软件逻辑设计模型，并自动生成软件代码，最后将自动生成的代码以及原先的接口代码、手工编写的胶水代码集成到硬件环境中，开展系统集成验证。

基于严格数学定义的软件代码自动生成避免了手工编码的错误率，保证了软件质量；需求、模型、代码、测试用例的一致性实现了真正意义的需求驱动开发，提高了迭代开发效率；图形化建模方式避免了基于文档的自然描述语言的二义性，促进了项目成员的有效沟通；研发人员在开发和维护过程中关注焦点集中在系统功能模型上，大大减轻了工作负担，降低了项目成本。

4.基于模型的系统工程（MBSE）应用总结

基于模型的系统工程（MBSE）是一种正向的设计理念，其专注于系统研制早期阶段开展用户需求的捕获、分析和验证，并基于验证后的需求开展后续研制工作，使得所有设计依据明确的用户需求，减少了设计过程的随意性，提高了产品设计质量，降低了研制成本。同时，MBSE使设计和测试之间不再有严格的界限划分，真正实现了“需求驱动型”研发模式。随着越来越多的企业导入基于模型的系统工程（MBSE）理论和方法，MBSE在工程产品研制中的价值和优势突显，必将打破现有的设计理念和模式，推动制造业设计和管理方式的转型升级。

参考文献

[1]张新国译.基于模型的系统工程（MBSE）方法论综述（中英对照版）.机械工业出版社.2014

[2]崔永青等.基于模型的系统工程在机载电子系统的应用.IEEECGNCC.2016

[3]艾斯特凡.基于模型的系统工程（MBSE）方法论综述.机械工业出版社.2014

作者简介：杨启超（1986-），男，陕西宝鸡人，本科，陕西宝成航空仪表有限责任公司，工程师，项目管理和信息化建设，顺序标出。